劉玉敏，馬榮輝，徐鈺，楊巖，石璟，王梅，李妮，郭躍升，江麗華

（1.山東省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟南 250100；2.山東省土壤肥料總站，山東 濟南 250100）

山東省是我國重要的糧食生產基地，其中小麥和玉米的產量分別約占全國總產量的20%和10%，而且小麥和玉米單產相較于1980年增加了2～3倍［1］。氮肥的應用對作物產量的增加、保障糧食安全發(fā)揮了重要作用。研究表明，世界作物產量的增加有30%～50%來自于氮肥的貢獻，這可以多養(yǎng)活全球近一半的人口［2］。所以農民為了獲得更高的作物產量，往往會施入大量氮肥。但是，作物僅利用了其中30% ～40%的氮素，一半以上的氮肥通過各種途徑損失到環(huán)境中［3］，隨之衍生許多環(huán)境問題，如：土壤酸化、水體富營養(yǎng)化、增加溫室氣體排放等［4］。因此，如何優(yōu)化氮肥施用，在保證作物產量的基礎上提高氮肥利用率是現代農業(yè)發(fā)展的關鍵問題。而新型肥料的研發(fā)以及施肥新技術的應用在我國的糧食生產中發(fā)揮了重要作用。如自2005年起推行的測土配方施肥技術以及以緩控釋肥料為代表的新型肥料應用均影響作物的氮肥利用率［5-7］。在此背景下，研究近15年來山東省小麥、玉米氮肥利用率的變化趨勢及影響因素對于未來農業(yè)的氮肥管理十分重要。為此，本研究利用已發(fā)表的文獻數據和在全省各地區(qū)布置的田間試驗，探究山東省小麥、玉米氮肥利用率的時空變異，分析有助于提高氮肥利用率的生產管理措施，以期為農業(yè)生產提供重要技術參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

本研究中，文獻數據來自中國知網（CNKI）、Web of science等中英文數據庫中已發(fā)表的文獻。在數據庫中以“氮肥利用率（nitrogen utilization efficiency）”“山東?。⊿handong Province）”“小麥（wheat）或玉米（maize）”為檢索詞，收集2005年1月至今關于山東省小麥和玉米氮肥利用率的研究論文。文獻的收集標準為：（1）試驗地點為山東省；（2）氮肥利用率數據必須為大田試驗獲得；（3）采用差值法測定小麥和玉米的氮肥利用率，即施氮區(qū)和不施氮區(qū)地上部作物吸氮量之差除以施氮量［8］；（4）論文中同時要有相應的產量和氮肥用量數據。經以上標準篩選，獲得符合條件的小麥相關文獻共33篇，試驗觀測數289個；玉米相關文獻45篇，試驗觀測數374個。

1.2 田間試驗

田間試驗氮肥利用率的數據來自于2018—2020年山東省土壤肥料總站在全省布置的78個小麥田間氮肥效試驗和46個玉米氮肥效田間試驗。每個田間試驗都包括兩個處理：對照處理（不施氮肥，只施磷鉀肥）和氮肥施用處理。施氮處理的氮磷鉀肥用量參考當地施肥習慣的調研數據，其中氮肥（N）用量為90～282 kg/hm2，磷肥（P2O5）用量為45～180 kg/hm2，鉀肥（K2O）用量為37.5～180 kg/hm2。對照除不施氮肥外，其他條件與施氮處理完全相同。

1.3 數據整理與計算

本研究數據庫以氮肥利用率數據為主，還包括文獻信息、試驗年份、地理位置、土壤基礎性質、基礎產量、產量、氮肥施用量、氮肥種類等信息。為了研究氮肥利用率在不同年代和區(qū)域間的變化情況，根據試驗年份和地點對所有數據進行分組：（1）在時間尺度上，按照試驗年份先后順序劃分為3個年代段：2005—2010、2011—2015、2016—2020。（2）在區(qū)域尺度上，參考山東省耕地質量提升圖將山東省分為魯西北平原區(qū)、魯東低山丘陵區(qū)、魯中山地丘陵區(qū)、魯東北鹽漬化區(qū)、魯中北部平原區(qū)、魯中南部平原區(qū)6個大區(qū)，并進行數據分類。

氮肥利用率的計算公式：

NUE（%）=（UN-U0）/F×100。

其中：NUE為氮肥利用率（%），反映作物對當季施入土壤中氮素利用的效率；UN和U0分別為施氮處理和不施氮處理作物成熟期地上部的總吸氮量（kg/hm2）；F為化肥氮素（折純）投入量（kg/hm2）。

各組數據之間的差異通過SPSS 25.0軟件進行單因素分析，采用最小顯著性差異法（LSD法）進行多重比較（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 山東省小麥和玉米的氮肥利用率

根據2005—2020年間的相關文獻和田間試驗，本研究總共獲得367個小麥樣本數據和420個玉米樣本數據，其中魯中山地丘陵區(qū)的樣本量最多，分別占到山東省小麥和玉米全部樣本量的40.3%和43.6%（表1）。

山東省小麥平均基礎產量、產量、氮肥用量和氮肥利用率分別為5 710、7 584、208 kg/hm2和37.8%（表1）。其中魯中北部平原區(qū)的小麥氮肥利用率最高，為42.4%，魯東低山丘陵區(qū)的氮肥利用率最低，僅為33.0%。

山東省玉米平均基礎產量、產量、氮肥用量和氮肥利用率分別為7 574、9 547、237 kg/hm2和34.4%（表1）。除魯東北鹽漬化區(qū)的玉米氮肥利用率為48.3%外，其他各區(qū)玉米氮肥利用率均在40%以下。其中，魯西北平原區(qū)、魯東低山丘陵區(qū)、魯中山地丘陵區(qū)的氮肥利用率較低，分別為31.1%、31.5%、31.5%。

2005—2020年，小麥產量表現為逐漸增加的趨勢，施肥平均產量從7 230 kg/hm2增至7 942 kg/hm2，增產9.8%。玉米產量在2011—2015年段最高，比2005—2010年高7.0%。小麥氮肥施用量年際變化不大，玉米氮肥用量表現為逐漸降低的趨勢，2016—2020年相較于2005—2010年降低17.0%。小麥氮肥利用率隨年份表現為逐漸增加的趨勢，從33.1%增至40.6%；玉米氮肥利用率2011—2015年表現最低，為31.8%，2016—2020年表現最高，為38.2%（圖1）。

表1 近15年山東省小麥、玉米氮肥利用率

圖1 山東省小麥、玉米不同階段施氮量、產量及氮肥利用率

2.2 氮肥用量以及氮肥類型對小麥、玉米氮肥利用率的影響

對小麥、玉米在不同氮肥施用量下的氮肥利用率分別進行統(tǒng)計，兩作物的氮肥利用率隨氮肥用量增加均表現為逐漸降低趨勢（圖2）。其中小麥和玉米的平均氮肥利用率在氮肥用量為＞240 kg/hm2時分別為28.1%和27.9%，均顯著低于其他3個氮肥分組水平。小麥氮肥用量為＜120 kg/hm2、120～180 kg/hm2、180～240 kg/hm2下的平均氮肥利用率分別為42.7%、41.6%和38.4%，各分組之間沒有顯著差異。玉米的平均氮肥利用率在氮肥用量為＜120 kg/hm2、120～180 kg/hm2條件下分別為43.6%和41.7%，顯著高于180～240 kg/hm2分組。

施用不同類型氮肥的小麥和玉米氮肥利用率如圖3所示。常規(guī)氮肥（CF）、緩控釋肥（CRF）、常規(guī)氮肥和緩控釋肥配施（CF+CRF）分組下的小麥氮肥利用率分別為34.6%、44.7%、51.5%；玉米分別為32.3%、38.3%、40.0%。緩控釋肥單獨施用以及與常規(guī)氮肥配施的小麥和玉米的氮肥利用率均顯著高于常規(guī)氮肥組。

圖2 不同氮肥用量對山東省小麥和玉米氮肥利用率的影響

圖3 不同氮肥類型對山東省小麥和玉米氮肥利用率的影響

2.3 氮肥用量與作物產量和氮肥利用率的關系

利用氮肥效應方程分別對小麥、玉米的氮肥施用量與作物產量和氮肥利用率進行擬合看出，小麥、玉米的產量與氮肥用量呈現線性-平臺的關系（圖4）。小麥、玉米產量先隨氮肥用量的增加而線性增加，在氮肥用量分別為151 kg/hm2和155 kg/hm2時到達平臺。小麥和玉米氮肥利用率與氮肥用量呈顯著負相關關系（P＜0.001；P＜0.001），氮肥利用率隨氮肥用量不斷降低。

圖4 氮肥用量與小麥和玉米產量、氮肥利用率的關系

3 討論與結論

張福鎖等［9］研究表明，2001—2005年中國小麥和玉米的氮肥利用率分別為28.2%和26.1%。本研究中，2005—2020年，山東省小麥和玉米的平均氮肥利用率分別為37.8%和34.4%（表1），相較于之前的結果分別提高9.6個百分點和8.3個百分點。與此同時，山東省小麥、玉米的氮肥利用率在2005—2020年整體上也呈現不斷增加的趨勢，這與劉緒森［10］研究的我國主要作物氮肥利用率的變化趨勢一致。而近15年作物氮肥利用率顯著提高的原因可以歸因于以下幾個方面：（1）測土配方技術的廣泛推廣。據國家統(tǒng)計局數據統(tǒng)計，山東省測土施肥技術應用面積已經達到938×104hm2，占到山東省農作物種植面積的8.6%，測土配方技術的實施優(yōu)化了肥料施用，提高了作物的氮肥利用率［6，7］。（2）土壤肥力的提升提高了作物的氮肥利用率。山東省土壤肥力逐漸提高：如李九五［11］的研究表明，山東省3種主要土壤（棕壤、褐土、潮土）的有機質含量相較于20年前提高35%，全氮含量增加14%，有效磷含量增加40%，有效鉀含量增加24%。土壤肥力提高促進作物生長，增加作物對肥料的吸收和利用［12，13］。（3）新型肥料產品的應用。如緩控釋肥、氮肥增效劑肥料可以通過控制氮肥在土壤中的釋放時期或形態(tài)以適應作物的生長需求，提高作物氮肥利用效率［5，14，15］。我們的研究也表明施用緩控釋肥的小麥和玉米的氮肥利用率均在40%以上，顯著高于施用常規(guī)氮肥處理，也印證了新型肥料對于作物氮肥利用率的提升作用。

氮肥的施用增加作物產量，但過量時產量不再增加［16，17］，與本研究結果一致；與作物產量對氮肥的響應規(guī)律不同，氮肥利用率同氮肥用量呈現顯著的負相關關系，這也和之前的研究一致［18］。所以氮肥用量的選擇既要增加作物產量，同時又能維持較高的氮肥利用率。吳良泉［19，20］依據2005—2010年在全國開展的1 575個小麥氮肥效試驗和1 752個玉米氮肥效試驗表明：全國小麥和玉米的氮肥推薦用量分別為169 kg/hm2和181 kg/hm2。本研究中，小麥和玉米分別在氮肥用量為151 kg/hm2和155 kg/hm2時到達產量平臺。同時該施肥量所在的氮肥分組（120～180 kg/hm2）的氮肥利用率，相較于＜120 kg/hm2分組沒有顯著差異。因此，150～180 kg/hm2的氮肥用量可作為山東省小麥、玉米的適宜氮肥用量范圍，這和全國的氮肥推薦量一致。文獻分析與田間試驗相結合的研究表明，山東省小麥和玉米產量在穩(wěn)定增產的同時，氮肥用量進一步降低，作物的氮肥利用率逐步提高，這說明山東省糧食作物上氮肥的施用更趨于合理。